Взаимоотношения легирующих элементов с железом и углеродом.

В легированных сталях возможны различные случаи распределения легирующих элементов. Легирующие элементы в стали могут:

1) образовывать с железом твердые растворы;

б) растворяться в цементите, замещая атомы железа в решетке цементита, т.е. образовывать так называемый легированный цементит или самостоятельные специальные соединения с углеродом – карбиды;

в) образовывать (при высоком содержании) с железом интерметаллические соединения.

Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения железа. Все элементы за исключением углерода, азота, водорода отчасти бора, образуют с железом твердые растворы замещения. Растворяясь в железе, они влияют на положение критических точек А3 и А4, определяющих температурную область существования a- и g- железа. По степени влияния их можно разделить на две группы.

К элементам первой группы относятся никель и марганец. Они понижают точку А3 и повышают точку А4, т.е. на диаграмме состояния железо – легирующий элемент расширяется область существования аустенита (g- железа) и сужается область существования феррита (a- железа). При определенных концентрациях легирующего элемента сплавы не испытывают фазовых превращений a «g и при всех температурах будут представлять твердый раствор легирующего элемента в g- железе - легированный аустенит. Такие сплавы называют аустенитными. Сплавы частично претерпевающие превращения a → g, называют полуаустенитными.

К элементам этой группы также относятся медь, углерод и азот, но лишь при небольшом их содержании они расширяют область существования аустенита (g- фазы).

Элементы второй группы (Cr, W, Mo,V, Si, Al и др.) понижают точку А4 и повышают точку А3. Это приводит к тому, что при определенной концентрации легирующих элементов критические точки, а точнее их интервалы А4 и А3 сливаются. При таких концентрациях легирующих элементов сплавы при всех температурах состоят из твердого раствора легирующего элемента в a- железе. Такие сплавы называют ферритными, а сплавы, имеющие частичное превращение, a → g - полуферритными. К этой группе надо отнести бор, цирконий, ниобий. При сравнительно низком содержании этих элементов они способствуют сужению области g- фазы.

Кроме того легирующие элементы оказывают большое влияние на эвтектоидную концентрацию углерода (0,8 %) – точка S диаграммы состояния железо- углерод (рис.14) и предельную растворимость углерода в g- железе (точка Е). Ni, Co, Si, W, Cr, Mn, точку Е сдвигает влево в сторону меньшего содержания углерода. V, Ti, Nb наоборот, повышают концентрацию углерода в эвтектоиде.

Карбидная фаза в легированных сталях. По отношению к углероду легирующие элементы следует распределить на три группы:

1) графитизирующие элементы: кремний, никель, медь и алюминий (эти элементы находятся в твердом растворе);

2) нейтральные: кобальт, который в сталях не образует карбидов и не вызывает графитизации;

3) карбидообразующие расположены в следующем порядке по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз: Fe→ Mn→ Cr→ Mo→ W→ Nb→ V→ Zr → Ti.

При малых содержаниях в сталях карбидообразующих элементов последние растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа. Состав цементита тогда может быть выражен формулой (Fe,M)₃С, где М - легирующий элемент. Например, при растворении марганца в цементите образуется карбид – (Fe,Mn)₃С, при растворении хрома- (Fe,Cr)₃ С.

При повышенных содержаниях хрома, вольфрама, молибдена в зависимости от содержания углерода в стали могут образовываться специальные карбиды. Сильные карбидообразующие элементы (Ti, V, Nb, Zr) практически нерастворимы в цементите и образуют самостоятельные специальные карбиды.

Карбиды, образующиеся в легированных сталях можно разделить на две группы.

К первой группе относятся карбиды М₃С, М₇С₃, М₂₃С₆ и М₆С (М₄С), имеющие сложные кристаллические решетки, сравнительно легко растворяемые в аустените при нагреве.

Ко второй группе относятся карбиды типа МС: VC, TiC, NbC, TaC, в которых атомы металла расположены по типу кубической решетки; WC, в которых атомы металла расположены по типу объемно-центрированной кубической решетки; W₂C, Mo₂C, в которых атомы металла расположены по типу гексагональной решетки. Эти карбиды относятся к фазам внедрения и в реальных условиях нагрева стали почти не растворяются в аустените. Фазы внедрения обладают наиболее высокой твердостью и высокой температурой плавления. Чем дисперснее частицы карбидов в стали, тем выше ее прочность и твердость, так как частицы, этих фаз повышают сопротивление пластической деформации.